CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1. Tình hình bệnh nhiễm khuẩn kháng kháng sinh Kháng sinh được sử dụng rộng rãi trong hơn 70 năm cho cả người và động vật để điều trị các bệnh truyền nhiễm kể từ khi phát hiện ra penicillin vào năm 1929. Vi khuẩn kháng kháng sinh xuất hiện do việc lạm dụng kháng sinh quá mức đang đe dọa đến sức khỏe của hàng tỷ người trên toàn thế giới. Sự lây lan nhanh chóng của các căn bệnh truyền nhiễm kháng thuốc gây ra mối đe dọa chưa từng có đối với ngành y tế toàn cầu.
Nếu xu hướng này tiếp tục tăng với tốc độ hiện tại, đến năm 2050 sẽ dẫn đến 10 triệu người chết mỗi năm vì các bệnh nhiễm khuẩn kháng thuốc [1]. Theo số liệu cung cấp của trung tâm kiểm soát và phòng ngừa dịch bệnh Hoa Kỳ, hơn 2,8 triệu ca nhiễm trùng do mầm bệnh kháng kháng sinh gây ra hằng năm tại đây dẫn đến ít nhất 35.000 người tử vong. Trong số đó, có ít nhất 1,7 triệu người nhiễm trùng máu, 1,2 triệu người nhiễm khuẩn vết mổ, hơn 30 triệu người mắc phải các bệnh mãn tính như tiểu đường và khoảng 650.000 người phải dùng đến hóa trị ung thư mỗi năm, tất cả họ đều phải dùng đến kháng sinh để điều trị và chăm sóc sức khỏe dẫn đến hiện tượng kháng kháng sinh tăng lên từ đây. Tổ chức y tế thế giới (World Health Organization–WHO) đã công bố danh sách các bệnh gây tử vong hàng đầu ở người, trong đó các căn bệnh nhiễm khuẩn gây tử vong nhiều nhất với số liệu thống kê thể hiện ở hình 1.
Đột quỵ 25% 22% Bệnh nhiễm khuẩn Sinh non Tai nạn giao thông Bệnh tiểu đường 24% Ung thư phổi, phế 11% quản COPD 5% Tim mạch 5% 4% 4% Hình 1.1: Thống kê về tỷ lệ tử vong của các bệnh nhiễm khuẩn trên thế giới [2] Như thể hiện ở hình 1.1, trong 24 % tỷ lệ tử vong do các bệnh nhiễm khuẩn thì có đến 48 % do các bệnh nhiễm trùng đường hô hấp, 28 % do các bệnh về tiêu chảy mà nguyên nhân hàng đầu là do kháng sinh mất hiệu lực, người bệnh không thể khỏi bệnh 3 mà còn chịu thêm các biến chứng nặng nề hơn bởi tác động của hiện tượng vi khuẩn kháng kháng sinh. Thêm vào đó, bệnh truyền nhiễm lây qua đường hô hấp xuất hiện ngày càng nhiều, từ các bệnh phổ biến thường gặp như bạch hầu, ho gà, lao đến các bệnh có mức độ lây nhiễm nghiêm trọng như cúm H1N1, hội chứng hô hấp cấp Trung Đông (MERS–CoV), hội chứng hô hấp cấp tính nghiêm trọng (SARS–CoV). Đặc biệt, đại dịch bệnh COVID–19, còn được gọi là dịch viêm phổi cấp do chủng mới của vi rút Corona, gây ra bởi vi rút SARS–CoV–2 bắt nguồn từ Trung Quốc và lan rộng với tốc độ chưa từng thấy ra 260 quốc gia và vùng lãnh thổ tạo nên một cơn đại dịch lớn và gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến cuộc sống của con người. Cụ thể hiện nay, tổng số ca mắc ở nước ta rơi vào 2,3 triệu người với các trường hợp tử vong lên đến 38.063 người tính đến tháng 01/2022 theo dữ liệu Trung tâm Khoa học và Kỹ thuật Hệ thống Đại học Johns Hopkins (JHU CSSE).
Mặc dù tỷ lệ bao phủ vắc-xin của nước ta đứng ở vị trí cao so với nhiều quốc gia khác trên thế giới với tỷ lệ 74,8 % số người dân đã tiêm đủ liều (theo dữ liệu tiêm chủng cổng thông tin quốc gia năm 2022). Tuy nhiên, biến chủng của vi rút SARS–CoV–2 liên tục biến đổi, tạo nên biến thể mới với khả năng lây lan cao hơn, dẫn đến nhiều loại vắc-xin đang dần trở nên mất hiệu lực, gây nên mối đe dọa với sức khỏe cộng đồng trên toàn thế giới. Do đó, vấn đề tìm ra các vật liệu kháng khuẩn mới có hiệu quả kháng khuẩn cao thay thế kháng sinh, tiêu diệt vi khuẩn và ngăn ngừa sự lây lan của đại dịch COVID–19 luôn nhận được quan tâm của nhiều nhà nghiên cứu trong và ngoài nước. Vật liệu kháng khuẩn Vật liệu kháng khuẩn được nghiên cứu và phát triển như một phương pháp triển vọng thay thế kháng sinh trong việc ức chế và tiêu diệt vi khuẩn.
Vi khuẩn kháng kháng sinh có thể ức chế công dụng của kháng sinh nhờ các đoạn gen kháng thuốc trong bộ mã di truyền theo một trong bốn phương thức chính: Tránh sự xâm nhập của kháng sinh vào tế bào, tổng hợp các enzyme bất hoạt hoặc phân hủy kháng sinh, thay đổi con đường chuyển hóa và bơm thải kháng sinh ra khỏi tế bào. Hiểu rõ được con đường kháng thuốc của vi khuẩn, vật liệu kháng khuẩn được nghiên cứu và tổng hợp, khắc phục được tính “lờn thuốc” chỉ có ở vi khuẩn, có cơ chế tiêu diệt ổn định dù lặp đi lặp lại nhiều lần. Hoạt động kháng khuẩn và độc tính của các loại vật liệu kháng khuẩn có thể được kiểm soát thông qua điều chỉnh kích thước, cấu trúc, hình dạng, mật độ điện tích, 4 phương pháp tổng hợp, từ đó có thể tạo ra vật liệu với các đặc tính tối ưu cho hiệu quả kháng khuẩn cao và độc tính tế bào thấp, ít gây hại cho sức khỏe con người [3]. Trong số các vật liệu kháng khuẩn được sử dụng hiện nay thì vật liệu nano đóng vai trò quan trọng và được ứng dụng nhiều trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống.2 cho thấy vật liệu nano có kích thước ít nhất một trong ba chiều nhỏ hơn 100 nm, nhỏ hơn cả vi khuẩn và tương đương với các phân tử sinh học, vì thế loại vật liệu này thể hiện các tính chất vật lý và hóa học riêng biệt mà các vật liệu khối lớn không thể có [4].
Kích thước nhỏ này làm cho bề mặt của hạt nano có diện tích tiếp xúc lớn, tiềm năng phản ứng cao, tạo ra hiệu ứng cộng hưởng plasmon bề mặt.2: Kích thước của các hạt nano và các đại phân tử sinh học Trong số các vật liệu nano được sử dụng rộng rãi hiện nay thì các hạt nano bạc cho khả năng kháng khuẩn cao chống lại nhiều loại vi khuẩn, bao gồm 16 loại vi khuẩn khác nhau [5, 6]. Ngoài ra, phương pháp tổng hợp đơn giản, các hạt nano bạc ổn định trong một thời gian dài, phổ kháng khuẩn rộng, độc tính có thể được kiểm soát dựa vào các điều kiện tổng hợp, do đó nano bạc đã được chọn để tổng hợp làm vật liệu kháng khuẩn trong luận văn này. Giới thiệu Nano bạc (silver nanoparticles–AgNPs) là tập hợp các nguyên tử bạc kết hợp lại với nhau tạo nên cấu trúc tinh thể. Nhìn chung, AgNPs có kích thước nhỏ hơn 100 nm và chứa khoảng 20–15.000 nguyên tử bạc, có đặc tính hóa học và vật lý phụ thuộc vào hình dáng, kích thước và phân bố kích thước hạt [7].
AgNPs có thể phân tán tốt trong nước, hiệu ứng quang học, độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao. Tuy nhiên, AgNPs có độ ổn định hóa học kém, kích thước nhỏ, năng lượng bề mặt lớn nên có xu hướng kết hợp lại để giảm thiểu năng lượng bề mặt trong quá trình tổng hợp dẫn đến khả năng kháng khuẩn giảm. Để khắc phục nhược điểm này, phải cần một vật liệu giúp ổn định kích thước AgNPs để duy trì hiệu quả kháng khuẩn. Phương pháp tổng hợp Có hai phương pháp cơ bản để tổng hợp vật liệu nano kim loại là: Phương pháp từ trên xuống (top–down) và phương pháp từ dưới lên (bottom–up) được trình bày như hình 1.
Hai phương pháp khác nhau chủ yếu do kích thước khối vật liệu ban đầu được sử dụng để tổng hợp AgNPs. Phương pháp từ trên xuống dựa vào sự phân mảnh liên tiếp khối vật liệu kích thước lớn để tạo ra vật liệu có cấu trúc nano, ngược lại phương pháp từ dưới lên dựa trên sự lắp ráp các nguyên tử và phân tử tạo các hạt nano [8].3: Phương pháp top–down và bottom–up trong tổng hợp AgNPs 6 a. Từ trên xuống Phương pháp từ trên xuống (top–down) cho phép chế tạo vật liệu nano từ vật liệu khối lớn ban đầu nhờ vào tác động vật lý như: Bay hơi ngưng tụ, ăn mòn laze, hồ quang điện, nghiền cơ học, v. Sau đó, các hạt nano tạo thành bằng cách bổ sung các chất bảo vệ dạng keo để làm giảm lực bám dính mạnh mẽ trong quá trình hình thành hạt [9].
Với phương pháp bay hơi–ngưng tụ, kim loại Ag được đưa đến nhiệt độ cao (hơn 2000 °C) và bay hơi. Hơi này sẽ ngưng tụ thành AgNPs khi gặp môi trường lạnh (dòng khí lạnh trơ hay dùng dung môi). Phương pháp bay hơi ngưng tụ kết hợp với kỹ thuật cắt gọt bằng tia laze để tạo ra độ mỏng cho các hạt nano. AgNPs thu được theo phương pháp này có kích thước khoảng 10–20 nm.
Ngoài ra, AgNPs còn được tổng hợp bằng phương pháp phóng điện hồ quang để tạo ra huyền phù AgNPs mà không có bất kỳ chất hoạt động bề mặt hay chất ổn định nào [10]. Trong quy trình này, Ag ở dạng sợi được sử dụng làm điện cực âm, dương và điện phân trong môi trường nước tinh khiết. Trong quá trình phóng điện, lớp bề mặt của sợi Ag bị bay hơi và ngưng tụ trong nước, do đó có thể thu được AgNPs ổn định và phân tán tốt có kích thước từ 20–30 nm. Phương pháp từ trên xuống dưới các tác động vật lý cho sản phẩm AgNPs có độ tinh khiết cao, có thể chế tạo số lượng lớn khi cần thiết và phân bố kích thước hẹp [11].
Tuy nhiên, chi phí đầu tư lại khá cao. Do vậy, phương pháp từ dưới lên được sử dụng để thay thế phương pháp từ trên xuống trong quá trình tổng hợp AgNPs. Từ dưới lên Phương pháp hóa học Phương pháp hóa học là phương pháp khử ion Ag+ tạo thành kim loại bạc, sau đó nguyên tử Ag kết hợp với nhau tạo thành các hạt bạc có kích thước nano. Thông thường, tiền chất để tổng hợp AgNPs là từ các muối như AgNO3, Ag2SO4 hay AgClO4.
Tác nhân khử hoá học có thể sử dụng như: Muối citrate, axit citric, vitamin C (VC), formadehyde, NaBH4, hydrazine, v. Quá trình tổng hợp AgNPs bằng phương pháp khử hóa học thường sử dụng ba thành phần chính sau: (1) Tiền chất của Ag, (2) tác nhân khử và (3) chất hoạt động bề mặt như được trình bày ở hình 1. Về cơ bản, quá trình khử muối bạc bao gồm hai giai đoạn là tạo mầm, tăng trưởng và phát triển tinh thể. Tác nhân khử hóa học khử Ag+ 7 thành Ag, sau đó các nguyên tử Ag kết hợp với nhau thành AgNPs.
Để duy trì ổn định AgNPs trong dung dịch cần phải sử dụng các chất hoạt động bề mặt. Thông thường các chất hoạt động bề mặt thường được sử dụng như ion citrate, polyvinyl-pyrrolidone và poly(vinyl alcohol).